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摘 要：太阳辐照强度一定时，多晶硅组件的短路电流仅为其峰值电流的1.1倍。一天中光伏组件的实际功率相差可达5倍以上。按照传统电气设计方式选择的熔断器和断路器，发生短路故障时常常不能起到保护作用。文章就光伏发电直流侧发生的短路故障位置，结合熔断器和断路器动作情况，以245Wp电池组件20串7汇3个汇流箱组成的100KW发电系统为例，通过初步分析得出结论并提出相应的建议。
关键词：光伏发电；直流侧电气故障；电气保护；并网系统
一、光伏系统直流侧区域划分
依照光伏组件，熔断器，断路器，逆变器的分布，可将直流侧分成三个区域：
（一）光伏组件至汇流箱熔断器
（二）汇流箱熔断器至汇流箱断路器
（三）汇流箱断路器至逆变器
二、光伏系统直流侧故障引起的事故
随着光伏发电系统的安装，光伏系统的安全问题越来越得到重视。直流侧起火是其中不可忽视的安全隐患，由光伏发电系统引起的火灾时有报道。
三、光伏系统直流侧故障分析
光伏系统故障有光伏组件自身的质量原因，也有系统设计的原因。由于光伏发电系统直流侧对地绝缘且光伏组件不存在过载问题，故直流侧故障多为直流侧短路故障。本文仅对直流侧电气短路故障的保护情况进行分析。
（一）电气设备保护分析
光伏发电系统直流侧短路，熔断器或断路器此时应该立即熔断或脱扣，切断故障回路，但故障分析发现汇流箱内的熔断器和断路器并不能起到保护作用。
为说明问题方便，我们以一实际工程项目为例进行故障模拟分析。该系统有420块245Wp光伏电池组件，每20块组件组成一个回路，每7个回路汇入1个汇流箱，共3个汇流箱，最终接到一台100kW的逆变器。
现将本文分析问题需要的部件的主要参数统计如下：
系统所用光伏组件主要参数：Pmax=245W，Ipm=8.23A，Isc=8.91A。
系统所用光伏汇流箱主要参数：
直流输入路数：8路（使用7路，备用1路）
断路器：100A（可调，使用时调整为80A）
熔断器：12A
（二）光伏组件至汇流箱熔断器侧（组件侧）短路故障分析
汇流箱内熔断器组件侧短路，该汇流非故障回路的光伏组件以及另外2个汇流箱内的组件产生的电流流经故障回路熔断器，致使该熔断器熔丝熔断。从而切断故障回路，起到保护作用。
组件在太阳辐照度1000W/m2时Isc=8.91A，短路处其他20路光伏组件的电流的汇集，最大电流可以达到178A（忽略线路阻抗），即使由于天气的原因或组件角度问题，实际照射到组件上的辐照度仅为250W/m2，短路电流也可达到40A以上，短路处的12A的熔断丝也会即刻熔断。
故：当短路故障发生于光伏组件至汇流箱熔断器侧（组件侧）时，熔断器可以很好的起到保护作用。
（三）汇流箱熔断器至汇流箱断路器处（熔断器上侧）短路故障分析
汇流箱内熔断器上侧（汇流铜排）发生短路故障。该汇流箱内熔断器熔丝无法熔断，这是因为即使太阳辐照度在1000W/㎡情况下，每串电池组件所产生的短路电流只有8.91A 不能以使12A熔丝熔断。该汇流箱内的断路器脱扣情况取决于另外两个汇流箱产生的短路电流大小，在太阳辐照度在1000W/㎡情况下，另外两个汇流箱总共有14个回路。最大短路电流约为125A（忽略线路阻抗），而直流断路器的额定电流为100A，短路电流仅为额定电流的1.25倍。即使将断路器额定电流调整为80A，短路电流也仅为其额定电流的1.5倍。若考虑到一般情况下照射到光伏组件上太阳辐照度低于1000W/㎡。即使太阳辐照度达到为700W/㎡（一年中绝大多数时间照射到光伏组件上太阳辐照度低于此值），短路电流也仅有84A，此时断路器不动作，无法起到保护作用。
故：汇流箱熔断器至汇流箱断路器处（熔断器上侧）短路，绝大多数情况下断路器无法起到保护作用。
（四）汇流箱断路器至逆变器（汇流箱断路器上侧）短路故障分析
逆变器内汇流铜排接线如图所示，从汇流箱断路器处引出的电缆直接接到逆变器汇流铜排上，汇流箱与汇流箱之间无任何保护电器。当从汇流箱断路器至逆变器之间的线路或者逆变器汇流铜排处发生短路故障。由于逆变器对电流的单向性，交流侧电流不会流向短路点，故汇流铜排上端的逆变器自带的直流断路器不动作。而汇流箱内的断路器是否动作取决于流经该断路器的电流，即使太阳辐照度在1000W/㎡情况下光伏组件短路电流也仅为8.91A，光伏组件的7个回路最大短路电流之和也仅为62A（忽略线路阻抗）。而断路器额定电流为100A，故汇流箱内断路器也不动作。
故：汇流箱断路器至逆变器（汇流箱断路器上侧）发生短路故障，保护电器均不动作，无法起到保护作用。
四、初步结论及建议
（一）初步结论
1. 光伏组件至汇流箱熔断器侧（组件侧）短路，熔断器可以很好的起到保护作用。
2. 汇流箱熔断器至汇流箱断路器处（熔断器上侧）短路，绝大多数情况断路器无法起到保护作用。断路器能否起到保护作用取决于太阳辐照度强度及汇流箱数目。
3. 汇流箱断路器至逆变器汇流铜排短路，断路器无法起到保护作用。事故极有可能进一步扩大。
（二）建议
由上述分析可知，光伏发电直流侧出现的短路故障，由于受太阳辐照度变化及太阳能电池组件特性限制，各级电气保护设备基本上起不到保护作用。采用传统的电气设计思路对光伏发电直流侧计算选取熔断器或断路器无法起到很好的保护作用。目前光伏发电设计规范对此没有更多的指导意见，各厂商也无针对性的产品。为了尽量避免事故的发生，提出以下建议仅供参考：
1. 汇流箱内熔断器熔丝按电池组件短路电流Isc的1.1～1.2倍選取，而不是按照某些厂家1.56倍选取。
2. 汇流箱断路器流按汇流箱汇流路数组件短路电流Isc之和的1.1倍靠近。并采用可调的断路器便于根据实际情况调整。
3. 逆变器汇流铜排下段应增加断路器，使汇流箱之间由断路器对线路进行一定的保护。
4. 有条件的情况应采用含监控元件的汇流箱，及时发现故障，通过监控系统报警或直接控制断路器动作，从根本上解决短路不动作问题。大大提高系统的安全性。
五、结语
太阳能光伏电池组件产生的产生的电流随着太阳辐照度的强弱成正比变化。设计中按照组件的峰值功率选配的电气保护设备，在上午或下午太阳辐照度较弱时，发生短路故障保护电器往往无法起到应有的作用，必须引起人们的高度重视。
关键词：光伏发电；直流侧电气故障；电气保护；并网系统
一、光伏系统直流侧区域划分
依照光伏组件，熔断器，断路器，逆变器的分布，可将直流侧分成三个区域：
（一）光伏组件至汇流箱熔断器
（二）汇流箱熔断器至汇流箱断路器
（三）汇流箱断路器至逆变器
二、光伏系统直流侧故障引起的事故
随着光伏发电系统的安装，光伏系统的安全问题越来越得到重视。直流侧起火是其中不可忽视的安全隐患，由光伏发电系统引起的火灾时有报道。
三、光伏系统直流侧故障分析
光伏系统故障有光伏组件自身的质量原因，也有系统设计的原因。由于光伏发电系统直流侧对地绝缘且光伏组件不存在过载问题，故直流侧故障多为直流侧短路故障。本文仅对直流侧电气短路故障的保护情况进行分析。
（一）电气设备保护分析
光伏发电系统直流侧短路，熔断器或断路器此时应该立即熔断或脱扣，切断故障回路，但故障分析发现汇流箱内的熔断器和断路器并不能起到保护作用。
为说明问题方便，我们以一实际工程项目为例进行故障模拟分析。该系统有420块245Wp光伏电池组件，每20块组件组成一个回路，每7个回路汇入1个汇流箱，共3个汇流箱，最终接到一台100kW的逆变器。
现将本文分析问题需要的部件的主要参数统计如下：
系统所用光伏组件主要参数：Pmax=245W，Ipm=8.23A，Isc=8.91A。
系统所用光伏汇流箱主要参数：
直流输入路数：8路（使用7路，备用1路）
断路器：100A（可调，使用时调整为80A）
熔断器：12A
（二）光伏组件至汇流箱熔断器侧（组件侧）短路故障分析
汇流箱内熔断器组件侧短路，该汇流非故障回路的光伏组件以及另外2个汇流箱内的组件产生的电流流经故障回路熔断器，致使该熔断器熔丝熔断。从而切断故障回路，起到保护作用。
组件在太阳辐照度1000W/m2时Isc=8.91A，短路处其他20路光伏组件的电流的汇集，最大电流可以达到178A（忽略线路阻抗），即使由于天气的原因或组件角度问题，实际照射到组件上的辐照度仅为250W/m2，短路电流也可达到40A以上，短路处的12A的熔断丝也会即刻熔断。
故：当短路故障发生于光伏组件至汇流箱熔断器侧（组件侧）时，熔断器可以很好的起到保护作用。
（三）汇流箱熔断器至汇流箱断路器处（熔断器上侧）短路故障分析
汇流箱内熔断器上侧（汇流铜排）发生短路故障。该汇流箱内熔断器熔丝无法熔断，这是因为即使太阳辐照度在1000W/㎡情况下，每串电池组件所产生的短路电流只有8.91A 不能以使12A熔丝熔断。该汇流箱内的断路器脱扣情况取决于另外两个汇流箱产生的短路电流大小，在太阳辐照度在1000W/㎡情况下，另外两个汇流箱总共有14个回路。最大短路电流约为125A（忽略线路阻抗），而直流断路器的额定电流为100A，短路电流仅为额定电流的1.25倍。即使将断路器额定电流调整为80A，短路电流也仅为其额定电流的1.5倍。若考虑到一般情况下照射到光伏组件上太阳辐照度低于1000W/㎡。即使太阳辐照度达到为700W/㎡（一年中绝大多数时间照射到光伏组件上太阳辐照度低于此值），短路电流也仅有84A，此时断路器不动作，无法起到保护作用。
故：汇流箱熔断器至汇流箱断路器处（熔断器上侧）短路，绝大多数情况下断路器无法起到保护作用。
（四）汇流箱断路器至逆变器（汇流箱断路器上侧）短路故障分析
逆变器内汇流铜排接线如图所示，从汇流箱断路器处引出的电缆直接接到逆变器汇流铜排上，汇流箱与汇流箱之间无任何保护电器。当从汇流箱断路器至逆变器之间的线路或者逆变器汇流铜排处发生短路故障。由于逆变器对电流的单向性，交流侧电流不会流向短路点，故汇流铜排上端的逆变器自带的直流断路器不动作。而汇流箱内的断路器是否动作取决于流经该断路器的电流，即使太阳辐照度在1000W/㎡情况下光伏组件短路电流也仅为8.91A，光伏组件的7个回路最大短路电流之和也仅为62A（忽略线路阻抗）。而断路器额定电流为100A，故汇流箱内断路器也不动作。
故：汇流箱断路器至逆变器（汇流箱断路器上侧）发生短路故障，保护电器均不动作，无法起到保护作用。
四、初步结论及建议
（一）初步结论
1. 光伏组件至汇流箱熔断器侧（组件侧）短路，熔断器可以很好的起到保护作用。
2. 汇流箱熔断器至汇流箱断路器处（熔断器上侧）短路，绝大多数情况断路器无法起到保护作用。断路器能否起到保护作用取决于太阳辐照度强度及汇流箱数目。
3. 汇流箱断路器至逆变器汇流铜排短路，断路器无法起到保护作用。事故极有可能进一步扩大。
（二）建议
由上述分析可知，光伏发电直流侧出现的短路故障，由于受太阳辐照度变化及太阳能电池组件特性限制，各级电气保护设备基本上起不到保护作用。采用传统的电气设计思路对光伏发电直流侧计算选取熔断器或断路器无法起到很好的保护作用。目前光伏发电设计规范对此没有更多的指导意见，各厂商也无针对性的产品。为了尽量避免事故的发生，提出以下建议仅供参考：
1. 汇流箱内熔断器熔丝按电池组件短路电流Isc的1.1～1.2倍選取，而不是按照某些厂家1.56倍选取。
2. 汇流箱断路器流按汇流箱汇流路数组件短路电流Isc之和的1.1倍靠近。并采用可调的断路器便于根据实际情况调整。
3. 逆变器汇流铜排下段应增加断路器，使汇流箱之间由断路器对线路进行一定的保护。
4. 有条件的情况应采用含监控元件的汇流箱，及时发现故障，通过监控系统报警或直接控制断路器动作，从根本上解决短路不动作问题。大大提高系统的安全性。
五、结语
太阳能光伏电池组件产生的产生的电流随着太阳辐照度的强弱成正比变化。设计中按照组件的峰值功率选配的电气保护设备，在上午或下午太阳辐照度较弱时，发生短路故障保护电器往往无法起到应有的作用，必须引起人们的高度重视。